【摘 要】
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钛及其合金是上世纪50年代发展起来的新型结构材料,具有优异的物理化学性能,但是,高昂的制作成本限制了其在民用市场中的运用和推广。粉末冶金技术的出现一定程度上缓解了这一窘境。近年来,使用Ti H2粉末制备钛及其合金的新工艺受到越来越多学者的关注,然而与铸锻态相比,通过该工艺制备出的试样其力学性能仍有待提高以满足实际工程运用的需求。因此,尝试新的成形方式、优化烧结工艺、引入热挤压塑性变形技术以改善材料
【基金项目】
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国家自然科学基金（51627805）; 广东省自然科学基金（2015A030312003）
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钛及其合金是上世纪50年代发展起来的新型结构材料,具有优异的物理化学性能,但是,高昂的制作成本限制了其在民用市场中的运用和推广。粉末冶金技术的出现一定程度上缓解了这一窘境。近年来,使用Ti H2粉末制备钛及其合金的新工艺受到越来越多学者的关注,然而与铸锻态相比,通过该工艺制备出的试样其力学性能仍有待提高以满足实际工程运用的需求。因此,尝试新的成形方式、优化烧结工艺、引入热挤压塑性变形技术以改善材料的组织和力学性能就显得很有必要。本文以低成本制备高强韧纯Ti及Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金为实验目的,从Ti H2粉末的表征、成形、烧结、热挤压与热处理工艺等多个方面开展了深入系统的研究,通过光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜与透射电镜等多种材料检测手段分析了试样的微观组织演变规律。本文的主要结论如下:（1）TiH2粉末的热分解是一个吸热过程,其发生显著脱氢现象的温度区间集中在450～700℃。（2）TiH2生坯的致密度随成形压力的增加而增大。与室温压制相比,温压显著提高了Ti H2的生坯和烧结密度,温压温度越高,提升效果越明显。在500 MPa/200℃条件下可制得近全致密的纯Ti试样,其显微组织由90～120μm的等轴α-Ti晶粒及分布均匀的圆形孔洞构成。在500 MPa/150℃工艺下的综合力学性能最优,其屈服强度、抗拉强度及塑性分别为508 MPa、638 MPa和14.6%。然而,粉末在温压成形加热过程中不可避免地存在被氧化的风险。（3）随着烧结温度的升高与保温时间的延长,材料的孔隙率降低,孔洞的圆整度提高而孔隙半径减小。烧结纯Ti试样基体中的颗粒边界消失,晶粒逐渐长大。而烧结态合金中等轴α-Ti的含量减小,层片状组织结构的体积分数增大。两者的力学性能均随烧结工艺的不同呈现出阶段性的变化规律。纯Ti在1250℃/4 h工艺条件下获得的力学性能最优,其屈服与抗拉强度值为466 MPa、580 MPa,塑性为22.0%。而Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金在该工艺下的相对密度达97.5%,其屈服与抗拉强度为1004 MPa和1092 MPa,而断后伸长率为3.4%。（4）热挤压工艺消除了试样基体中的孔洞缺陷,致使纯Ti与Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金中的晶粒发生择优取向并得到极大细化。经热挤压后,纯Ti及Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金的显微组织均为双峰组织结构（bimodal microstructure）。同时,与烧结态相比,两者的室温力学性能均得到大幅提高。对纯Ti而言,DH-Ti H2+HE试样的提升效果最为显著,其屈服强度、抗拉强度与断后伸长率分别为592 MPa、761 MPa和31.5%。而对于Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金来说,烧结态试样（SS-T6321）热挤压后的力学性能最优,其屈服强度达1270 MPa,抗拉强度为1406 MPa,同时还保留着12.4%的塑性。通过计算发现,细晶强化是热挤压纯Ti及Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金的主要强化机制。（5）随退火温度的升高,合金的初生α相含量减少而β转变相的体积分数增大,次生α相逐渐沿β相晶内析出,并呈针状分布。经热处理后,合金的力学性能得到进一步提高,在1000℃/1 h AC工艺条件下,获得最佳的综合力学性能,其屈服与抗拉强度分别为1310 MPa和1456 MPa,而塑性为13.7%。
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